基于Matlab 對采煤機截割滾筒仿真優化及效果研究

楊豐駿

（煤炭工業太原設計研究院集團有限公司， 山西 太原 030001）

0 引言

截割滾筒作為采煤機重要部件，其綜合性能將會直接影響到采煤機的生產能力、生產能耗等諸多性能指標，所以為能夠有效提高采煤機的綜合生產效率，保障采煤機持續穩定運行，應對采煤機截割滾筒進行合理優化完善。據此，將采用Matlab 軟件對采煤機截割滾筒進行仿真優化，進而獲取針對性優化方案，旨在為后續采煤機截割滾筒綜合性能改善提供支持。

1 優化設計概述

優化設計是指根據設計者的實際設計目標，基于最優化理論獲取最優解的過程，即根據設計目標合理提出多種設計方案，并從中選擇出綜合水平最優方案的過程。通常情況下，優化設計一般分為三個步驟：第一，根據設計目標構建設計目標函數，此過程中所涉及的設計目標包括機械功能、機械強度等；第二，限制設計中的約束條件，即設計中機械的形態、尺寸等條件約束；第三，獲取設計最優解，即在可以滿足機械設備性能以及其他方面目標及約束要求的情況下，選擇出一種經濟性、使用壽命等方面性價比最高的一種設計方案。現階段，優化設計常用方式為計算機仿真優化，可通過計算機技術對設備運行狀態進行全面檢測分析，快速獲取優化設計結果[1-2]。

2 采煤機截割滾筒仿真模型構建

首先，通過UG 軟件對采煤機截割滾筒進行三維幾何模型構建，此過程中分別對滾筒及截齒進行分別構建，并以此為基礎進行截割滾筒裝配組合，構成截割滾筒組合模型。其次，將裝配完成的三維幾何模型導入到ANSYS 軟件中，并在軟件中生成截割滾筒實體模型和煤壁模型，其中煤壁模型無需通過UG 軟件構建，可在ANSYS 軟件中直接生成。最后，需要根據滾筒特征合理選用材料、單元類型[3]。其中材料選用RIGID 剛體材料，此種材料的密度、彈性模量、泊松比以及硬度（HRC）分別為7 800 kg/m3、4.6×1011Pa、0.3、80～90。單元類型則選用solid168 單元。基于以上參數進行網格單元劃分及參數設置后，最終獲取到滾筒截割煤壁有限元模型如圖1 所示。

圖1 滾筒截割煤壁有限元模型

3 基于Matlab 的采煤機截割滾筒仿真分析

通過ANSYS 軟件對采煤機截割煤壁過程進行仿真模擬，進而獲取到采煤機截割滾筒各截齒的受力特征值。為增強各截齒受力特征值分析效果，會將仿真模擬數據導入到Matlab 軟件中，進而通過Matlab 軟件來獲取各截齒受力平均值，具體結果如圖2 所示。

圖2 截齒受力平均值

由圖2 可知，在所有采煤機截割滾筒截齒中，27 號截齒的受力平均值最大，24 號截齒的受力平均值最小，受力最大值和受力最小值之間存在較大差異。說明采煤機截割滾筒各截齒之間的受力狀態較不均勻，各截齒受力波動較大，極易導致在煤壁截割過程中產生受力較大截齒加速磨損甚至折斷等情況[4]。此外，受力波動大也會導致采煤機滾筒在截割煤壁過程中出現劇烈振動，應力在傳遞到采煤機上后會導致采煤機結構整體使用壽命受到嚴重影響，所以必須要對采煤機截割滾筒進行綜合優化設計。

如圖3 所示，采煤機截割滾筒截割煤壁時X 方向上和Y 方向上所受到的外力最大值分別為6286.5N、3007.8 N；如圖4 所示，煤機截割滾筒截割煤壁時Z方向上和合力方面所受到的外力最大值分別為4038.2 N、6 330.1 N。由此可見，在采煤機截割滾筒截割煤壁過程中，不同方向上所承受的應力值也不盡相同，其中X 方向上所承受的應力值最大，Y 方向所承受的應力值較小。此種情況會導致滾筒在截割煤壁時出現極為距離的波動載荷，為滾筒帶來劇烈沖擊，嚴重影響滾筒的綜合截割性能和使用壽命，不利于保障采煤機的使用壽命和工作效率[5]。

圖3 采煤機截割滾筒截割煤壁時X、Y 方向上受到的外力

圖4 采煤機截割滾筒截割煤壁時Z 方向上受到的外力及合外力

4 采煤機截割滾筒優化效果分析及工程應用

4.1 采煤機截割滾筒優化及效果分析

為提高采煤機截割滾筒優化設計效果，研究中會采用Matlab 軟件的優化工具箱構建數學模型，進而獲取到采煤機截割滾筒的優化參數，具體參數包括平均截線距、螺旋升角、平均截距三種，分別從26.6 mm優化到30 mm，19°優化到19.8°，237 mm 優化到249 mm。為能夠進一步驗證優化方案的有效性，研究中會對優化后方案所對應的采煤機截割滾筒截齒受力平均值進行仿真分析，并將分析結果與優化前結果進行匹配對比，具體對比結果如圖5 所示。

圖5 采煤機截割滾筒優化前后受力平均值對比

如圖5 所示，相對于優化前的截割滾筒各截齒受力情況來看，優化后截割滾筒各截齒受力狀態得到明顯改善，說明采煤機截割滾筒各截齒受力性能得到持續改善。

此外，研究中還會采用LS-Prepost 軟件獲取采煤機滾筒截割煤壁過程中所產生的三向力和合外力情況。根據分析結果可知，截割滾筒在X 方向上的牽引阻力均值從優化前的291.04 N 下降到260.61 N，實際波動系數從優化前的1.84 下降至1.68，實際降低幅度為8.70%；截割滾筒在Y 方向上的牽引阻力均值從優化前的282.89 N 上升至291.61 N，實際波動系數從優化前的1.31 下降至1.17，實際降低幅度為10.68%；截割滾筒在Z 方向上的牽引阻力均值從優化前的9.33 N 增長到16.21 N，雖然在Z 方向上的牽引阻力均值得到大幅度增長，但考慮到Z 方向上的實際牽引阻力均值相對較小，所以對滾筒正常運行不會造成過多影響。同時，實際波動系數從優化前的35.25 下降至26.93，實際降低幅度為23.60%；截割滾筒所承受的合力均值從優化前的622.35 N 上升至571.78 N，實際下降幅度為11.79%。總體來說，相對于優化前來說，優化后的采煤機截割滾筒受力情況更為科學合理，并且載荷波動問題也得到了一定治理，更有利于保障滾筒的使用壽命和工作性能。

4.2 優化方案工程應用

通過仿真分析雖然初步驗證優化方案的有效性，但為能夠進一步保障應用成效，實際研究中還會開展工程應用分析。具體分析過程中會根據優化方案制作出采煤機截割滾筒實物，并將其應用于煤礦生產實際，以煤礦生產中復雜的工作環境來驗證優化方案的有效性。通過工程應用分析情況來看，優化后的方案應用成效與仿真分析應用成效基本保持一致，其一方面說明仿真分析驗證的有效性，另一方面也一定程度上驗證本文所提出優化方案的科學合理性。總體來說，相較于現有采煤機截割滾筒來說，本文所提出的采煤機截割滾筒優化方案更具實用性，所以值得在后續采煤機截割滾筒優化中進行參考應用。

5 結語

本文將ANSYS 有限元分析法與Matlab 優化設計相結合，并通過融合后的方法對采煤機截割滾筒進行仿真優化，提出一種采煤機截割滾筒優化方案，進而通過仿真分析和工程應用分析兩種分析方式驗證此游玩方案的有效性。總體來說，相對于現有采煤機截割滾筒來說，優化后的采煤機截割滾筒可有效保障受力性能以及滾筒載荷波動情況，避免截割滾筒在應用中出現因截齒受力不均而導致的截齒磨損速度過快、截齒斷裂、滾筒劇烈振動、采煤機使用壽命縮短等問題，進而綜合提高采煤機綜合性能，保障煤礦開采綜合效率。因此值得在后續采煤機截割滾筒結構優化中進行參考應用。